短路电流法与变步长扰动观察法结合的MPPT算法研究_贺婷

电测与仪表Electrical Measurement Instrumentation总第 49 卷 第 559 期2012 年 第 7 期Vol.49 No.559Jul. 20120 引 言近年来， 随着化石能源逐渐减少， 全球目光更多地转到清洁能源上 。 光伏发电技术作为一种清洁 、 安全的新能源技术也成为研究的热点之一 。 由于光伏电池本身的特性， 随着日照强度 、 环境温度的不同， 其端电压将发生变化， 输出伏安特性曲线为非线性， 输出功率曲线亦为非线性 。 为了实时地跟踪光伏发电系统的最大功率点 （ MPP） ， 使得光伏发电系统的功率输出最大， 常用的最大功率点跟踪 （ MPPT） 方法有固定电压法 （ CVT） 、 短路电流法 、 扰动观察法 （ PO） 、 增量电导法 （ INC） 等 。光伏电池在一定温度和不同光照下， 最大功率跟踪点所在的输出电压 Uo近似在一个点上， 固定电压法便是利用了这一点 。 固定电压法虽然简单有效， 但精度不高， 功率的损失较大 。 另一种常用的 MPPT方法扰动观察法则是每隔一定时间对系统进行扰动， 增加或减小电压， 根据扰动的结果， 判断下一次的扰动方向 。这种方法简单易实现， 但响应速度低， 扰动步长难以确定， 且在稳态时实际工作点将在最大功率点附近振荡， 造成一部分功率损失 。 并且在光照强度突变时， 有可能产生误判 。 作为扰动观察法的改进方法， 增量电导法则避免了扰动观察法的误判情况， 且输出电压能平稳地追随光照变化， 但对传感器的精度以及整个系短路电流法与变步长扰动观察法结合的MPPT算法研究 *贺婷， 龚仁喜， 李畸勇（ 广西大学 电气工程学院， 南宁 530004）摘要 针对小型家用光伏系统的特点， 设计了一种有效的改进型最大功率点跟踪 （ MPPT） 控制方法 。 当外界环境突变时， 采用改进的短路电流法进行初步跟踪， 调整光伏阵列的工作点到最大功率点附近 。 在此基础上再使用双阶段变步长扰动观察法， 使得工作点进一步调节到最大功率点， 并有效减少了光伏阵列输出功率在最大功率点的振荡 。 对该结合方法及相关的常用 MPPT算法分别仿真， 结果表明， 该方法可以在外界环境剧烈变化下快速 、 有效 、 准确地跟踪最大功率点， 同时有效减少在光伏阵列最大功率点附近振荡所带来的能量损失， 提高了光伏发电系统的效率 。关键词 光伏系统； 最大功率点跟踪； 短路电流法； 变步长扰动观察法中图分类号 TM615 文献标识码 A 文章编号 1001-1390（ 2012） 07-0006-05Research on Maximum-power-point Tracking Method Based on the Short-Current Combined with Variable Step POHE Ting， GONG Ren-xi ， LI Ji-yongCollege of Electrical Engineering, Guangxi University, Nanning 530004, ChinaAbstract According to the characteristics of small home PV system, an effective improved MPPT method ispresented.When the external environment rapidly changes， in order to regulate the PV array operating point near themaximum-power point quickly, the improved short-current method to track MPP is utilized at first, and then thetwo-level variable step PO is adopted to adjust the PV array operating point to be at the maximum-power point.The simulation of the improved method and common methods show that, contrast to the latter, the former can tracethe maximum-power point more quickly, efficiently and accurately, and also can reduce the energy loss caused bythe oscillation of the operating point about the maximum-power point, thus enhancing the PV system efficiency.Key words PV system, maximum-power point tracking, short circuit control, variable step PO method* 广西自然科学基金资助项目 （ 2010GXNSFA013023）6- -电测与仪表Electrical Measurement Instrumentation总第 49 卷 第 559 期2012 年 第 7 期Vol.49 No.559Jul. 2012统的响应速度要求都比较高， 造成系统的硬件造价相对高昂 [1-2]。本文根据光伏电池的特性，利用 Matlab中的Simulink 平台对光伏阵列的特性进行了仿真分析， 比较了几种 MPPT控制算法的优缺点，提出了一种短路电流法和分阶段变步长扰动观察法相结合的 MPPT算法 。 仿真结果表明， 该方法综合了两者的优点， 可以有效地弥补单一算法的缺陷， 达到很好的控制效果 。1 光伏阵列的输出特性光伏阵列的输出电流与输出电压以及输出功率之间的关系如式 （ 1） 、 （ 2） 所示II S- I O exp qAKT “U - 1 （ 1）PISU- I OU exp qAKT “U - 1 （ 2）式中 I、 IS、 IO分别为光伏阵列输出电流 、 光伏阵列短路电流和光伏阵列反向饱和电流， I S由日照强度决定； q为电荷常数； A为光伏电池中半导体器件的 p-n 结系数； K为 Boltzman常数； T为绝对温度； U为光伏电池输出电压； P为光伏阵列输出功率[3]。由式 （ 1） 、（ 2） 在 Matlab环境下建立 Simulink 模型，仿真得到温度为 25 ℃ ， 光照分别为 1000W/m2、 800W/m2、600W/m2的 P-U 曲线以及 I-U 曲线， 如图 1、 2所示 。由此可知， 光伏电池的最大功率点将随着环境的变化而变， 尤其是光照对于光伏电池的影响非常明显 [4]。2 短路电流法结合变步长扰动观察法由第 1节中式 （ 2） 可以推导出光伏电池输出功率与输出电压的导数关系如下式所示 dPdU IS- I OexpqAKT “U 1qAKT “U - I O （ 3）由上式可以得到此导数与输出电压的关系式如图 3所示 。对图 3进行分析可知，在 A点光伏电池处于短路状态 。 此时， 输出电压等于零， 而 dP/dU的值等于电池短路电流值 。 随着输出电压的增加， 该值在 A-B 区间内变化很小， 故， 在 A-B 区间内， dP/dU的值可以近似等于电池短路电流 。 从点 B开始， 到最大功率点 MPP，dP/dU的值迅速下降到零 。 在 B-MPP 这一段内， 电池工作在最大功率左侧， 输出功率持续增加， 直到为零， 即最大功率点 。 此后， 随着输出电压的增加， dP/dU为负值， 输出功率则快速减小 。根据对上图的分析，用 A-B 区间的 dP/dU值近似短路电流值， 并由光伏电池在输出最大功率时其输出电流 I 0与电池短路电流 I S的近似比例关系 I 00.92* I S来对光伏系统进行初步控制， 使得系统近似工作在最大功率点 。 此方法避免了传统短路电流法对系统产生的干扰， 但其控制精度低 。另一方面，由于 MPPT是通过将 DC-DC 变换器连接在光伏电池和负载之间来实现，所以，直接控制DC-DC 变换器的占空比来控制光伏电池的输出功率 。扰动观察法则是假设增加 DC-DC 变换器的占空比， 如果光伏电池的输出功率增加，则继续增大占空比， 反之减少占空比 。 同样的， 如果占空比的减少使得输出功率增加， 则继续减少占空比， 反之增大占空比 。 其中， 占空比的变化量称为扰动步长 STEP。 然而， 步长图 2 光伏电池的 I-U 特性曲线Fig.2 I-U curve of PV-array图 1 光伏电池的 P-U 特性曲线图Fig.1 P-U curve of PV-arrayU/VP/W0 5 10 15 20 25053142U /VI/A图 3 光伏电池的 dP/dU-U 特性曲线Fig.3 dP/dU-U curve of PV-array0 5 10 15 20 25-25-20-15-10-505U/VA BCMPP7- -电测与仪表Electrical Measurement Instrumentation总第 49 卷 第 559 期2012 年 第 7 期Vol.49 No.559Jul. 2012powerguiContinuous25ConstantRamp SaturationScopePWMS-FunctiondP/dUsc In OutProduct1UPOutMosfetL D2C1Controlled Current SourceVoltage MeasurementCurrent MeasurementC RLmTGUILsolar1的选择既要兼顾系统的动态特性， 又要保证系统的稳态特性， 难以达到较好的平衡 。为了弥补短路电流法精度低的缺陷， 同时又提高扰动观察法的响应速度， 将以上两种方法结合 [5]。 当外界环境变化时， 由短路电流法进行最大功率点的初步跟踪 。 当系统接近最大功率点时改用扰动观察法进行进一步跟踪优化， 此时的步长远小于单纯使用扰动观察法时的步长 。 这样， 就使得结合方法比单纯一种的算法响应更快， 且系统在稳态时精度较高 [6-10]。然而在仿真的过程中发现，在不同的光照强度下， 最佳扰动步长不同， 为了达到最好的跟踪效果， 设计了一种双阶段变步长扰动观察法， 将其与短路电流法结合， 使得能在各种光照强度下均能获得最佳扰动步长， 让光伏阵列无论在任何光照条件下都能达到最大功率 。该方法控制流程图如图 4所示 。（ 1） 对光伏电池的输出电压和输出电流进行周期性采样， 设在时刻 T测得输出电压为 UT， 输出电流为 IT，则输出功率为 PTUT*I T,将这些值与上一个周期的采样相比较，得到 △ UUT-U T-1 ， △ PPT-P T-1 。 设置扰动步长为 STEP， 由 △ P判定 STEP是否减小， 并设定 |△ P|在大于 0.001的范围内 STEP的减少量为 0.005，而在 |△ P|小于 0.001的范围内 STEP的减少量为 0.001， 若 STEP0， 则前一刻 STEP已减至极限， 此时， 设 STEP0。（ 2） 判断系统是否工作在最大功率点左侧， 若不是， 则占空比减少一个 STEP。（ 3） 当系统工作在最大功率点左侧的情况下， 将dP/dU与上一个采样周期的值相比较， 若差值在误差范围内， 则认为短路电流值 IREFd P/dU， 并用于 PI控制 。（ 4） 若 dP/dU差值超过范围内， 则由变步长扰动观察法实现 MPP。 将此算法不断循环直至 △ P0， 此时，系统工作在最大功率点 。3 仿真结果为了验证提出的算法有效并几种常见方法， 在Matlab软件中对几种算法进行了仿真比较，如图 5所示 。 仿真的对象是在第一节中用到的光伏电池模型 。图 4 短路电流法结合变步长扰动观察法的流程图Fig.4 The flow diagram of short-current combinedwith variable step PO MPPT method “ 图 5 MPPT控制系统仿真模型Fig.5 Simulation of MPPT control system8- -电测与仪表Electrical Measurement Instrumentation总第 49 卷 第 559 期2012 年 第 7 期Vol.49 No.559Jul. 2012在温度为 25℃ 的情况下，仿真可得在光强为1000W/m2时最大功率为 86.4，光强在 600W/m2时最大功 率 为 54.5。 光 强 在 1s时 由 600W/m2急 剧 变 化 到1000W/m2的情况下，分别采用扰动观察法和短路电流结合变步长扰动观察法进行 MPPT仿真，可以得到如图 6图 10所示结果 。根据上述各图所示的仿真结果，可以总结出MPPT方法在稳态情况下的比较如表 1所示 。从上述各图可以看到， 几种方法都能有效地并且快速地对最大功率点进行跟踪 。 由表 1得到的数据显示， 采用 CVT法时， 虽然稳定后的振荡非常小， 但是在1000W/m2的情况下功率损失较大 。 采用扰动观察法时，不同的光强对应的最佳步长不一样，如光强为1000W/m2时， 步长为 0.007可以达到最大功率点， 而在光强为 600W/m2时，步长取 0.005方能达到最大功率点 。 由此可见， CVT和扰动观察法由于参数设置单一，不能适应环境的变化， 时刻跟踪到最大功率点 。 而使用结合方法时， 在光强剧烈变化的情况下， 可以有效地快速地跟踪达到最大功率点， 且稳态时振荡较小 。图 6 CVT法的仿真波形Fig.6 Simulation waveform of CVT method0 20.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2 1.4 1.6 1.81020304050607080900t/sP/W图 7 step0.005时的扰动观察法的仿真波形Fig.7 Simulation waveform of PO method whenstep0.0050 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2 1.4 1.6 1.8 2.00102030405060708090t/sP/W图 8 step0.006扰动观察法仿真波形Fig.8 Simulation waveform of PO methodwhen step0.0060 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2 1.4 1.6 1.8 2.00102030405060708090t/sP/W图 9 step0.007扰动观察法仿真波形Fig.9 Simulation waveform of PO method whenstep0.007图 10 短路电流法结合变步长扰动观察法仿真波形Fig.10 Simulation waveform of short-currentcombined with variable step PO MPPT method0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2 1.4 1.6 1.8 2.00102030405060708090t/sP/W表 1 MPPT方法在稳态情况下的比较Tab.1 The comparison of several MPPT methods atsteady statesP/W MPPTS600 W/m S1000 W/m C VT 54.5 84.584.6 PO step0.005 54.254.5 72.578.6 PO step0.006 50.551.6 80.584.5 PO step0.007 45.646.8 86.086.4 PO 53.954.5 84.686.4 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2 1.4 1.6 1.8 2.00102030405060708090t/sP/W9- -电测与仪表Electrical Measurement Instrumentation总第 49 卷 第 559 期2012 年 第 7 期Vol.49 No.559Jul. 20124 结 论本文提出了一种改进的 MPPT算法 短路电流法结合变步长扰动观察法 。 仿真结果表明， 这种算法有效解决了传统短路电流法对系统产生的干扰并且改正了短路电流法本身精度不高的缺点 。 同时也解决了传统扰动观察法响应速度与精度不能同时兼顾， 且在不同光强下， 最佳步长不一致， 难以平衡的问题 。 该算法准确跟踪到光伏阵列的最大功率点并且明显减小了在最大功率点的稳态时的振荡情况， 提高了光伏系统的能量转换效率 。参 考 文 献[1] 张驰 ,张代润 . 基于改进的变步长光伏并网系统 MPPT控制策略研究[J].电测与仪表 , 2012， 491 67- 71.ZHANG Chi, ZHANG Dai- run. 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